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서로 다른 농도를 가진 두 용액 사이를 용매를 통과시키나 용질을 통과시키지 않는 반투과성막으로 막아놓았을 때, 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 용매[1]가 이동하는 현상을 삼투 현상이라고 하며, 이 현상으로 생기는 압력을 삼투압(osmotic pressure)이라고 한다.
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달걀 크기를 변화시키는 실험을 통해 삼투현상에 대해 이해를 돕는다.
18회 삼투현상
2014-12-25 (목)
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삼투 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
삼투(滲透, 문화어: 스밈압력, 프랑스어, 독일어: Osmose, 영어, 라틴어, 스페인어: Osmosis) 또는 삼투현상이란 묽은 용액과 진한 용액이 반투과성막을 사이에 두고 …
Source: ko.wikipedia.org
Date Published: 8/6/2021
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삼투압 현상 | 과학문화포털 사이언스올
이러한 현상이 확산이다. 확산 현상이 반투막을 사이에 두고 일어나는 것을 삼투 현상이라고 한다. 삼투 현상은 생물의 세포막이 지닌 중요한 성질 …
Source: www.scienceall.com
Date Published: 2/15/2021
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이것도 삼투압 현상이었어? | MyWater
이것도 삼투압 현상이었어? · 삼투압이란 나트륨, 소금 등의 염분차이로 물이 이동하려는 성질인데요. · 칸막이가 있는 용기에 같은 양의 20% 설탕물과 40% 설탕물을 각각 …
Source: m.water.or.kr
Date Published: 2/26/2021
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소금과 삼투 현상 – Sciencetimes – 사이언스타임즈
세포막을 경계로 하여 소금 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 용매인 물이 이동하여 세포막 안과 바깥의 농도가 일치되려고 하는 현상을 ‘삼투’ 라고 …
Source: www.sciencetimes.co.kr
Date Published: 3/15/2021
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[호기심 과학] 저농도에서 고농도로 이동한다! 계란으로 알아 …
‘삼투’는 사전적으로 ‘스며들어 투과한다’는 뜻으로, ‘삼투현상’이란 ‘반투과성 막’을 경계로 농도가 ‘낮은’ 용액에서 농도가 ‘높은’ 용액으로 물이 이동 …
Source: news.samsungdisplay.com
Date Published: 8/28/2021
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[안현정 선생님의 과학은 껌이다] Part 14. 삼투 – 동아일보
삼투현상이란, 서로 다른 농도를 가진 두 액체를 반투과성 막을 경계로 나누어 놓았을 때, 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물(용매)가 이동하는 현상 …
Source: www.donga.com
Date Published: 10/11/2021
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Osmosis 삼투 현상,삼투압 – [정보통신기술용어해설]
삼투 현상 ㅇ 삼투 현상 (Osmosis) – 농도가 다른 두 용액이 반투막으로 분리되어 있을 때, . 농도가 낮은 용액의 용매가, 농도가 높은 용액 쪽으로 …
Source: www.ktword.co.kr
Date Published: 12/29/2021
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- Date Published: 2015. 1. 29.
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위키백과, 우리 모두의 백과사전
삼투압에 의한 현상의 예. 용액의 종류에 따라 적혈구의 모양이 달라진다.
삼투(滲透, 문화어: 스밈압력, 프랑스어, 독일어: Osmose, 영어, 라틴어, 스페인어: Osmosis) 또는 삼투현상이란 묽은 용액과 진한 용액이 반투과성막을 사이에 두고 있을 때, 용질은 상대적으로 입자의 크기가 크기 때문에 반투과성막을 통과할 수 없게 되는데 이 때 농도가 더 진한 쪽으로 용질 대신 용매(일반적 물)가 이동하는 현상이다. 이때 발생하는 압력의 크기를 삼투압이라고 한다. 수동운반(passive transport).
삼투압 공식 [ 편집 ]
π(삼투압)=MRTip_e^2
{M: 용액의 몰농도(mol/L), R:기체 상수(0.0821 L·atm/mol·K), T:절대 온도(K), i:반트호프 인자(수용액이 전해질인 경우에 필요, i>1이며 값은 물질의 종류와 농도에 따라 다르다.)}
J. H. 반트호프는 삼투압의 원인은 용액 속에 녹아 있는 물질의 분자가 기체분자와 같은 법칙으로 운동하여 반투막에 압력을 미치기 때문이라 생각하고, 이 현상을 이론적으로 설명하였다. 즉, 삼투압을 P 기압, 용질 n mol을 용해하는 용액의 부피를 VL, 용액의 절대온도를 T, 기체상수를 R라 하면, 용액의 농도가 그다지 크지 않은 범위에서 PV = nRT라는 식이 성립된다.
따라서 P=nRT/V라는 식이 성립되는데, 이때 P= π이고, n/V=M 이라 π(삼투압)=MRT 다음과 같은 간단한 식으로 나타낼 수 있다.
예시 문제) 25°C 바닷물의 평균 삼투압은 30.0 atm이다. 바닷물과 등장액인 설탕 수용액의 몰농도를 계산하시오.
π=MRTi
M= π/RTi = 30.0 atm/(0.0821 L·atm/mol·K)(298K)(1) <비전해질인 설탕의 경우 i=1>
= 1.23mol/L
= 1.23M
삼투압에 의한 현상의 예 [ 편집 ]
인체 내의 삼투 현상 : 체액의 삼투압은 체액의 농도에 비례하며 체액을 구성하는 수분과 무기 염류량에 의해 결정된다.
1. 체내 수분량 조절(체내의 삼투압이 변하면 콩팥(신장)에서 수분의 흡수를 조절)
삼투압 변화를 조절하는 중추는 간뇌의 시상 하부로, 뇌하수체 후엽에서 분비되는 항이뇨 호르몬(ADH)에 의해 조절된다
<항이뇨 호르몬>
– 뇌하수체 후엽에서 분비되는 호르몬으로 팥의 집합관에서 수분의 재흡수를 촉진한다.
– 혈관을 수축시켜 혈압을 상승시키는 역할도 하므로 바소프레신이라고도 한다
<혈장 삼투압>
체내에 흐르는 피의 양, 즉 혈류량과 혈압 역시 일정하게 유지되어야 한다. 하지만 체내의 수분은 상시 변할 수 밖에 없고 그로 인해 혈류량이 변하여 혈압 역시 변하게 된다. 체내는 이런 변화를 삼투압을 통해 일정하게 유지시킨다.
만약 체내의 수분이 많아지면 수분의 증가로 혈류량이 증가한다. 혈류량이 증가하면 당연히 혈압 역시 증가하기에 뇌의 항상성을 담당하는 시상하부는 이를 인지하여 삼투압을 낮추도록 명령한다. 또한 만약 체내 수분이 부족하면 삼투압을 상승시키도록 하여 일정한 혈류량과 혈압을 유지하도록 한다.
-수분이 부족할 때(삼투압 상승) ADH 분비가 증가하여 콩팥에서 물의 재흡수량을 증가시켜 수분량은 증가하고, 소변량은 감소한다.
-수분이 과다할 때(삼투압 하강)
시상 하부에서 조절을 받아 뇌하수체 후엽에서 ADH 분비가 감소하여 물의 재흡수가 억제되어 수분은 감소하고 소변량은 증가한다.
2. 체내 무기 염류량 조절
무기 염류의 농도는 수분의 이동과 삼투압에 큰 영향을 미친다. 혈중 K+의 농도가 높거나 Na+의 농도가 낮을 때는 뇌하수체 전엽에서 부신 겉질 자극 호르몬(ACTH)의 분비량이 증가하여 부신 겉질에서 알도스테론의 분비가 촉진되고, 이에 따라 콩팥의 세뇨관과 집합관에서 K+의 분비와 Na+의 재흡수량이 증가하여 혈액 속의 Na+의 농도가 높아진다. 또한 비타민, 미네랄의 부족은 세포에 필요한 단백질의 합성이 제대로 되지 않는다. 그리고 단백질의 부족은 세포의 삼투압에도 영향을 미치게 된다. 세포는 삼투압을 유지해야 세포의 크기를 유지할 수 있습니다. 만약 세포내에 단백질이 부족하게 되면 세포내의 음이온이 부족하게 됩니다. 세포내 부족한 음이온은 삼투압에 의해 세포외액에 있는 대표적인 음이온인 염소가 세포내로 들어오게 된다.(세포내 물질의 합이 일정해야 세포의 크기를 유지하게 됩니다.) 염소의 증가는 세포내의 나트륨의 증가를 가져오고 세포내에 나트륨이 증가를 하게 되면 삼투압을 조절에 필수인 Na+/K+ 펌프가 제대로 작동을 하지 못하게 된다. Na+/K+ 펌프가 제대로 작동을 하지 못하면 세포의 전위차에 변화와 물질의 이동에 문제가 발생한다.
3. 삼투압 조절로 세포 모형 일정하게 유지
인체 내의 많은 세포는 물질대사를 하며 세포외액은 세포에 영양의 공급과 노폐물의 배설을 도와준다. 세포에서 대사를 통해서 단백질을 합성하는 순간 세포내의 물질의 농도는 올라간다. 또 음식을 섭취함으로서 세포외액에 염분, 포도당, 아미노산의 농도가 올라간다. 이러한 변화는 삼투압에 변화를 가져오고 인체는 삼투압의 변화에 대응하기 위해서 농도의 차이에 역행하는 Na/K pump를 작동해서 삼투압을 조절을 하여 원래의 삼투압으로 다시 설정한다. 이로 인해 세포는 더 이상 팽창이나 수축을 하지 않고 기존의 세포의 크기를 그대로 유지할 수 있다. (삼투압=흡수력 )
삼투압을 활용한 고분자의 분자량 측정
반트호프의 법칙 [van’t Hoff’s law] : 묽은 용액의 삼투압에 관한 법칙.
「이상적인 용액의 삼투압은 일정한 온도에서 용질의 농도에 비례한다」는 W. 페퍼의 실험적 결과에 입각해서 1887년 반트호프가 제출한 법칙이며 용질의 몰농도를 c, 절대 온도를 T, 기체상수를 R라 하면 용액의 삼투압의 크기 π는 다음과 같다.
π = RTc 여기서 R값은 (0.0821L·atm/mol·K)이다.
이 때 용액의 부피를 V, 용액에 포함된 용질의 몰수를 n이라 할 때 c=n/V이므로 위의 관계식은 πV = nRT=wRT/M가 된다. (w : 고분자물질의 질량, M : 분자량) 이 식을 통해 고분자 물질의 분자량 M을 구할 수 있다.
배추를 소금에 절여두면 배추의 수분이 밖으로 빠져나간다.
오이를 식초에 넣으면 오이에서 수분이 빠져나가면서 피클이 된다.
적혈구를 고장액(Hypertonic)에 넣으면 적혈구에서 물이 빠져나가 쪼그라든다.
적혈구를 저장액(Hypotonic)에 넣으면 바깥에서 적혈구로 물이 들어오면서 세포가 파괴된다. (용혈, hemolysis)
참고 문헌 [ 편집 ]
Florian Horn, 《Biochemie des Menschen: Das Lehrbuch für das Medizinstudium》, Auflage 6, Thieme (2012)
Armin Baur, 《Humanbiologie für Lehramtsstudierende: Ein Arbeits- und Studienbuch》, Springer Spektrum (2015)
Christa Pews-Hocke, Edeltraud Kemnitz, Annelore Bilsing, Karl-Heinz Firtzlaff, 《Basiswissen Schule – Biologie 5. bis 10. Klasse》, Auflage 5, Bibliographisches Institut (2014)
Theodord L. Brown,《Chemistry: The Central Science》,10th Ed.,Pearson (2007)
Carlos Romero Magdalena, Esther Yáñez Conde, Isabel Blasco Castiñeyra, Carlota García-Hoz Jiménez Elena Feduchi Canosa, 《Bioquímica. Conceptos esenciales》, Edición 2, Editorial Médica Panamericana S.A. (2014)
같이 보기 [ 편집 ]
과학문화포털 사이언스올
뜨거운 물이 들어있는 목욕탕에 몸을 오래 담그고 있으면 손가락 끝의 피부가 쪼글쪼글해지는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상의 원인은 대체 무엇일까?
칸막이가 있는 용기에 같은 양의 20% 설탕물과 40% 설탕물을 각각 넣고 칸막이를 제거하면 어떻게 될까? 설탕물이 섞여 30% 설탕물이 되리라 쉽게 짐작할 수 있을 것이다. 이처럼 물질들은 농도가 높은 곳에서 농도가 낮은 곳으로 이동하여 농도차이를 줄이려는 경향이 있다. 이러한 현상이 확산이다. 확산 현상이 반투막을 사이에 두고 일어나는 것을 삼투 현상이라고 한다. 삼투 현상은 생물의 세포막이 지닌 중요한 성질 중의 하나로서 농도가 낮은 쪽의 용매, 즉 물이 농도가 높은 쪽으로 이동하여 양쪽의 농도를 같게 하려는 현상을 말한다.
용액은 용매와 용질로 되어있는데, 세포막이나 실험에서 사용한 셀로판튜브는 반투막으로 분자 크기가 작은 용매는 통과하지만 분자 크기가 큰 용질은 통과하지 못한다. 그렇다면 어떻게 농도차이를 줄일 수 있을까? 용질이 통과할 수 있다면 높은 농도 쪽의 용질–이 실험에서는 설탕–이 낮은 농도 쪽으로 이동하면 되지만 반투막에서는 이것이 불가능하므로 역으로 낮은 농도 쪽의 용매–즉, 물–가 높은 농도 쪽으로 이동하게 된다. 이것이 바로 삼투 현상이다. 이에 따라 설탕물이 담겨있는 삼투압주머니로 비이커의 물이 들어와 피펫의 눈금이 올라가게 되었고, 수돗물이 담긴 삼투압주머니는 농도차이가 없으므로 피펫의 눈금이 변화하지 않은 것이다.
배추를 소금에 절인 다음 물이 생겨난 것은 배추세포보다 밖의 농도가 소금 때문에 훨씬 높아 농도차이를 줄이기 위해 낮은 농도인 배추에서 물이 세포 밖으로 빠져나왔기 때문이다. 김치를 담글 때 이 과정을 거치지 않고 바로 양념을 버무려 김치를 담그면 양념의 농도가 배추세포보다 높기 때문에 나중에 배추세포의 물이 빠져나와 의도하지 않았던 물김치가 되어 간이 맞지 않아 맛도 없고 먹기도 불편해진다. 경험으로 삼투 현상을 알고 이를 생활에 적용한 조상들의 지혜를 느낄 수 있다.
세포는 세포 외부로부터 세포가 필요한 기체, 무기이온, 유기 혼합물 등을 받아들이고 세포내 분비물을 내보내기도 한다. 세포가 세포 외부와 물질 교환을 하는 기작으로는 확산, 삼투 현상, 능동 수송, 내포 작용 및 외포 작용이 있다. 확산과 삼투 현상은 앞에서 설명되었으며, 능동수송은 물질의 농도 차이에 의한 확산과는 반대로 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 물질을 이동시키는 것으로 에너지를 필요로 한다. 내포 작용은 세포막의 일부가 안으로 접혀지면서 물질을 삼키는 작용으로 백혈구의 식균 작용이 여기에 해당한다. 외포 작용은 내포 작용과 반대로 세포 내에서 생긴 물질을 밖으로 내보는 작용을 말한다.
이것도 삼투압 현상이었어?
이것도 삼투압 현상이었어? 일상 속 삼투압 이야기
삼투압이란 나트륨, 소금 등의 염분차이로 물이 이동하려는 성질인데요. 이 성질은 1867년 독일의 화학자 트라우베가 최초로 발견했습니다. 쉽게 예를 들어 볼까요?
칸막이가 있는 용기에 같은 양의 20% 설탕물과 40% 설탕물을 각각 넣고 칸막이를 제거하면 설탕물이 섞여 30% 설탕물이 되리라 쉽게 짐작할 수 있을 것입니다. 이처럼 물은 농도가 높은 곳에서 농도가 낮은 곳으로 이동하여 농도차이를 줄이려는 경향이 있고, 이러한 현상을 ‘확산’이라고 합니다. 바로 이 확산 현상이 반투막을 사이에 두고 일어나는 것을 삼투현상이라고 하죠.
한마디로, 물이 농도가 높은 쪽으로 이동하여 양쪽의 농도를 같게 하려는 현상을 말하는 것입니다.
이러한 삼투 현상은 주변에서도 아주 쉽게 찾아볼 수가 있어요.
배추김치를 만들 때
배추김치를 만들 때, 부피를 줄이고 김치 소를 넣기 위해 일정한 시간 동안 소금물에 담가두곤 하는데요.
이 때 배추 안의 농도보다 배추 바깥의 농도가 높아지므로 수분이 빠져나가 배추의 숨이 죽고 시들시들해지는 거랍니다.
목욕탕에서 쪼글쪼글해지는 손
뜨거운 탕에 몸을 오래 담그고 있으면 손가락과 발가락 끝 피부가 쪼글쪼글해집니다.
이 또한 목욕탕의 농도보다 손가락 속의 농도가 더 높아지기 때문에 수분이 모공으로 흡수되기 때문이지요.
바닷물을 마시면… 바닷물을 마시면 갈증이 더 심해지곤 하잖아요! 바닷물을 마시면 우리 몸 속 세포의 농도가 훨씬 높아지므로 세포에서 수분이 빠져나오는 속도가 빨라지기 때문이랍니다.
건빵과 별사탕의 조합 군대용 건빵에 별사탕이 함께 들어 있는 거 보셨죠? 고농도인 별사탕이 저농도인 침을 빨아들여, 침이 많이 고이게 해줍니다. 입 안에 침이 많이 생기면 수분이 없는 건빵을 먹기가 편하고 잘 삼킬 수 있기 때문에! 둘은 항상 함께하는 것이죠~!
단어만 들으면 어렵게 들리지만, 사실 우리 옆을 항상 따라다니고 있는 삼투압 이야기!
이 외에도 일상 속에서 얼마나 재미있는 삼투 현상이 존재하는 지 한번 찾아보는 건 어때요?
출처
K-water 공식블로그 ‘맛있는 水多’ (www.blogkwater.or.kr)
소금과 삼투 현상 – Sciencetimes
“짠맛이 나는 백색의 결정체로서 대표적인 조미료이며, 천연으로는 바닷물에 약 2.8% 들어 있고 암염으로도 산출된다. 인체의 혈액이나 세포 안에도 들어 있으며, 어른의 하루 소요량은 10-20g 정도이고, 주성분은 염화나트륨(NaCl)이다.” 이것은 소금에 대한 설명이다.
소금을 채취할 수 있는 장소는 비교적 한정되어 있었기 때문에 옛날부터 귀하게 매매가 이루어졌고, 또 소금이 화폐의 역할도 하였다. 로마시대에 관리와 군인의 급료로 소금을 지급하였고, 영어의 salary(봉급)는 라틴어의 salarium(소금의 지급)에서 유래되었으며, 마르코폴로의 ‘동방견문록’ 에는 티베트에서 소금물을 끓여 풀처럼 진득진득해지면 틀에 넣고 굳힌 뒤 표면에 황제의 도장을 찍어 화폐로 사용하였다는 기록이 있다. 따라서 소금을 小金(작은 금)이라고 생각하는 경우가 많은데, 실제로 소금은 한자어가 아닌 순수한 우리말이다.
얼음에 소금을 넣으면 온도가 더 내려간다. 얼음물의 온도는 0℃인데, 여기에 굵은 소금을 넣고 열심히 섞은 다음 온도를 재 보면 영하 20℃ 근처까지 내릴 수 있다. 왜냐하면 얼음이 녹으면서 열에너지를 주위로부터 빼앗고(융해열) 게다가 소금이 녹아 나트륨이온과 염화이온으로 분해되면서 또 다시 열을 주위로부터 빼앗기(용해열) 때문이다.
바닷물에는 나트륨이온과 염화이온 등 여러 가지 무기염류들이 섞여있어서 어는점이 내려갔기 때문에(빙점강하현상) 추운 겨울에도 잘 얼지 않는다. 왜냐하면 순수한 물(용매)만 있을 때의 증기압보다 비휘발성 용질이 첨가된 용액의 증기압이 낮아지고, 증기압이 내려가게 되면 어는점도 낮아지기 때문이다. 이러한 원리를 이용하여 겨울철에 도로에 염화칼슘을 뿌려서 어는점을 낮추어 얼음을 녹이고, 자동차에 부동액을 넣어 어는점을 낮추어 얼지 않게 해준다. 그렇다면 오염되지 않은 하천과 오염된 하천 가운데 어느 쪽 하천이 잘 얼겠는가? 생각해 보라.
우리 몸에서 소금은 용질 역할을 하고, 물은 용매 역할을 한다. 세포막을 경계로 하여 소금 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 용매인 물이 이동하여 세포막 안과 바깥의 농도가 일치되려고 하는 현상을 ‘삼투’ 라고 한다. 세포막을 소금이 통과되지 않고 물만 통과되는 이유는 세포막이 반투과성 막이기 때문이다. 반투과성 막은 고분자인 용질은 통과되지 않고 저분자인 용매(물)만 통과되는 성질을 가지고 있다.
우리 몸 혈액의 소금농도와 같은 생리적 식염수는 0.9%이다. 사람의 혈액을 채취하여 각각 여러 가지 생리적 식염수에 넣었을 경우의 모습을 생각해 보자. (가)는 0.9% 미만의 식염수에 넣어 적혈구 안으로 물이 들어와서 팽창하다가 터져 버리는 모습이고, (나)는 0.9%의 식염수에 넣어 적혈구에 변화가 없는 모습이며, (다)는 0.9%를 초과한 식염수에 넣어 물이 적혈구 밖으로 물이 빠져나가 수축된 모습이다.
그러나 식물세포는 (가)와 같은 경우에 아무리 물이 들어와도 터지지 않는다. 왜냐하면 식물세포는 후형질인 세포벽이 터지지 않도록 버텨주기 때문이다. 이렇게 식물 세포벽이 최대로 버티고 있는 상황을 ‘팽윤 상태’ 라고 한다. 식물세포에서는 (다)와 같은 경우에 물이 빠져나가면서 세포막(원형질막)이 안쪽으로 수축하기 때문에 세포벽과 세포막(원형질막)의 거리가 벌어지는데, 이러한 현상을 ‘원형질 분리’ 라고 한다.
생선이나 육류를 소금에 절여 저장하거나 과일을 설탕이나 꿀에 절여 저장하면 잘 부패되지 않는다. 이것은 삼투를 이용한 것이다. 즉, 설탕이나 소금에서는 음식물을 썩게 하는 세균 등의 미생물 세포막 안쪽(농도가 낮음)에서 바깥쪽(농도가 높음)으로 물이 빠져나가 미생물이 죽어버리므로 부패 현상이 일어나지 않기 때문이다.
세계 지도를 살펴보면 놀랍게도 바다에 직접 닿아 있는 커다란 사막 국가들이 많이 있다. 이 나라 국민들은 항상 눈앞의 많은 바닷물을 어떻게 하면 민물로 만들어 사용할 수 있을지를 고민한다. 눈앞에 한없이 펼쳐져 있는 그 바닷물을 해수욕으로 밖에 사용하지 못하여 물 부족에 시달리고 있었다.
그러나 오늘날에는 과학기술자들이 삼투를 반대 방향으로 이용하여 바닷물로부터 소금이 얻는다. 즉, 바닷물에 압력을 주어 반투과성 막을 통과시키면 물분자는 반투과성 막을 통과하지만, 바닷물에 녹아 있는 여러 가지 무기염류는 반투과성 막을 통과하지 못하므로 맑은 물을 얻을 수 있다. 이를 ‘역삼투’ 라고 한다.
반투과성 막에는 세포막 외에 천연적인 것으로 달걀의 속껍질과 방광(오줌보)막 등이 있고, 인공적인 것으로 셀로판지 등이 있다. 반투과성 막의 응용은 매우 다양하여 과학기술자들은 성능 좋은 반투과성 막을 만들고자 치열한 경쟁을 하고 있다. 물 부족 현상이 우리에게도 심각하게 다가오고 있다. 과학기술자들의 노력이 결실을 맺기를 기대해 본다.
(11142)
[호기심 과학] 저농도에서 고농도로 이동한다! 계란으로 알아보는 삼투현상
당도가 높은 달달한 사탕을 먹어본 경험을 떠올려보자. 한참을 입안에 넣고 있다 보면 혀의 감각이 약간 무뎌지고 거칠게 느껴졌다는 사실도 기억이 날 법 하다. 바로 오늘 다룰 주제인 ‘삼투현상’의 사례다. 혀 안의 수분이 고농도의 사탕액과 만나 혀 바깥으로 빠져나가버려, 혀가 거칠게 느껴진 것이기 때문이다. 반투과성 막이 있을 때 물이 저농도에서 고농도로 거꾸로 흐르는 듯한 독특한 현상인 ‘삼투현상’이란 무엇일까?
‘삼투현상’은 평형의 원리!
‘삼투’는 사전적으로 ‘스며들어 투과한다’는 뜻으로, ‘삼투현상’이란 ‘반투과성 막’을 경계로 농도가 ‘낮은’ 용액에서 농도가 ‘높은’ 용액으로 물이 이동하는 현상이다.
저농도에서 고농도로 물이 이동한다는 것이 오히려 거꾸로 가는 현상처럼 쉽게 이해가 가지 않을 수 있다. 만약 소금의 농도가 높은 물과 농도가 낮은 물을 섞으면 농도가 높은 물이 전체적으로 퍼지면서 평균적인 농도를 만드는 것이 당연하지 않은가? 맞다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러 높이가 같아지고, 뜨거운 열이 차가운 열과 만나면 열 평형을 이루듯이, 평형의 원리를 따르는 이 현상을 우리는 ‘확산’이라고 부른다.
▲ 반투과성막인 셀로판지를 장착한 삼투현상 장치
하지만 삼투현상도 역설적으로 평형의 원리 때문에 발생한다. 위 사진과 같이 농도가 다른 액체를 서로 만나게 하되, 중간에 일부 입자만 투과가 가능한 반투과성 막을 설치해 보았다. 앞서 얘기한 것 처럼 농도를 같게 만들려는 물질의 ‘확산’의 원리에 의해 진한 설탕물은 저농도의 물로 가려고 하는 성질이 나타난다. 그런데 설탕물 가운데 설탕 입자는 크기가 커서 셀로판지(반투과성 막)를 통과하지 못하는 안타까운 일이 발생한다. 설탕이 빠져나가야 농도 평형이 맞춰질텐데 불가능해진 것이다.
이런 상황에서 두 물질의 평형을 맞추는 또 다른 방법이 혹시 있을까? 그렇다. 반대로 저농도의 순수한 물만 설탕물 쪽으로 이동하면 전체적으로 농도 평형이 맞춰진다. 셀로판지는 설탕 입자의 이동은 막지만, 물 분자의 이동은 막지 못하기 때문에 가능한 일이다. 그래서 실험 장면을 보면 설탕물 용기 안의 물의 양이 처음보다 늘어난 것을 알 수 있다. 평형을 맞추려면 물질의 특성과 입자 크기에 따라 선택적으로 투과시키는 반투과성 막의 특성으로 인해, ‘물’이 ‘저농도’에서 ‘고농도’로 이동하는 독특한 현상이 생기는 것이다.
치밀한 구조로 세균을 철벽 방어하는 달걀 껍데기와 안쪽 막
달걀 껍데기의 안쪽 막은 삼투현상 실험을 위한 대표적인 반투과성 막이다. 일단 달걀의 안쪽 막을 원형 그대로 만나기 위해서는 탄산칼슘이 주요성분인 딱딱한 껍데기부터 제거해야 한다.
▲ 마치 크래커처럼 구멍이 나 있는 달걀의 바깥쪽 껍데기(좌)와
두 겹으로 이루어진 달걀 안쪽 막(우)
달걀 안쪽 막을 현미경으로 보면 단일 막이 아닌 매우 치밀한 구조임을 관찰 할 수 있다. 외난각막과 내난각막, 두 겹의 막이 흰자를 둘러싸고 있다. 달걀은 우리가 눈으로 볼 수 있는 가장 큰 단세포 중 하나이며, 달걀의 안쪽 막은 곧 달걀의 세포막이다. 생물의 세포막은 반투과성 막으로 분자의 크기가 큰 것은 통과시키지 못한다. 또한 선택적 투과성을 가지고 있어서 세포 내에 필요한 물질들만 선택적으로 받아들일 수 있다. 이러한 달걀 안쪽 막의 특성 때문에 달걀 속으로 세균들이 침투하지 못하게 되지만, 반대로 물 분자나 산소 분자는 투과가 가능해, 외부로부터 산소를 받아들여 안에서 호흡한 후 바깥으로 이산화탄소를 내보낼 수도 있다.
달걀을 식초에 퐁당!! 탱글탱글 말랑말랑 누드 달걀 만들기!
그러면 이제 본격적으로 삼투현상을 확인하기 위해, 탱글탱글 말랑말랑한 누드 달걀을 만들어 보도록 하자!! 불투명하고 딱딱한 달걀 껍데기 때문에 평소에 우리는 달걀 내부를 들여다볼 수 없다. 물론 깨뜨려서 볼 수는 있지만, 깨뜨린 후 중력의 영향으로 퍼진 노른자와 흰자가 아니라, 동그란 상태 그대로를 투영해 보기 위해서는 먼저 달걀 껍데기를 녹여 누드 달걀을 만들어야 한다.
▲ 탄산칼슘인 달걀 껍데기는 식초와 만나 녹는다
달걀 껍데기를 녹이기 위해서는 식초와 같은 산성을 띤 물질을 이용하면 된다. 달걀을 식초에 24시간 정도 담가두면 바깥쪽의 탄산칼슘 껍데기는 모두 녹아버리고, 노른자가 훤히 다 비쳐 보이는 누드 달걀을 만날 수 있다. 이 달걀을 손으로 눌려보면 탄성력이 대단한 것을 경험할 수 있다. 탄성력이란 원래 모양으로 되돌아오려는 힘이다. 눌렀다 놓았다 하면 말랑말랑하면서도 탱글탱글한 누드 달걀의 탄성을 손으로 느낄 수 있다.
▲ 식초에 담근 후 하루 만에 얻은 누드 달걀(좌)과
시간이 흘러 반투과성 막을 통해 수분이 증발해 크기가 줄어드는 달걀들(우)
누드 달걀로 알아보는 삼투현상, 달걀로 만드는 미니 분수
이렇게 얻은 누드 달걀로 삼투현상을 실험해 볼 수 있다. 식초에서 꺼낸 누드 달걀을 다시 12시간 정도 물속에 넣어둔다. 달걀이 터질 듯이 부풀어 있는 상태가 되는데, 달걀 안쪽이 상대적으로 고농도이므로 물이 반투과성 막인 달걀 안쪽 막을 통해 달걀 속으로 이동했기 때문이다. 만약 하루 정도 더 그대로 물속에 넣어 두면 달걀은 마치 폭발하듯이 터져버린다. 펑~! 하고 말이다.
터지기 직전 불어 있는 달걀을 꺼내서 날카로운 바늘로 한번 찔러주면 물이 작은 분수처럼 나오는 것을 볼 수 있다. 미리 물 속에 식용색소를 넣어두면 컬러 미니 분수를 즐길 수 있다. 식초 냄새와 이른바 달걀 비린내가 살짝 나기는 하지만 나름대로 운치 있는 분수를 감상할 수 있다.
▲ 식용색소를 넣은 물 속에 담가 두었던 누드 달걀을 바늘로 찌르면
삼투현상에 의해 농도가 높은 달걀 내부로 들어갔던 색소 물이 분수처럼 뿜어져 나온다.
디스플레이 공정에 사용되는 ‘초순수’ 생산에도 삼투 원리 활용
첨단 디스플레이 제조 공정에는 ‘초순수(Ultra-Pure Water)’라는 초고순도의 물이 사용된다. 물속의 미립자 단계의 이물질까지도 거의 남지 않도록 최대한 제거한 순수한 물분자 상태에 가까운 물이다. 초순수는 외부에서 공급받은 물을 고순도로 정수처리 해 만드는데, 이 과정에서도 삼투압의 원리가 사용된다. ‘역삼투’ 라는 기술을 활용하는데, 유기물과 이온을 제거할 수 있다.
▲ 왼쪽은 삼투현상, 물이 반투과성 막을 통해 저농도에서 고농도로 이동한다.
오른쪽은 역삼투현상, 고농도 쪽에서 삼투압보다 강한 압력으로 밀어내어 물이 고농도에서 저농도로 이동한다.
역삼투의 원리는 말 그대로 삼투와 반대라는 뜻이다. 역삼투는 오히려 고농도 쪽에서 삼투압보다 더 강한 압력을 가해 밀어내게 되면, 물 속의 물질은 통과 못 하고 물만 반투과성 막을 통과하면서 저농도 쪽에서 오히려 물의 양이 늘어나게 된다. 정수가 안 된, 농도가 높은 쪽의 물이 수압에 의해 반투과성 막을 통과하게 되는 것인데, 이때 오염물질들은 막을 통과하지 못하게 된다. 따라서 이 방식으로 통과한 물은 상당히 많은 불순물을 거른 깨끗한 물이 된다.
삼투현상은 원리를 알면 우리 주변에서 어렵지 않게 볼 수 있는 과학 원리다. 김치를 만들 때 소금물에 담그는 이유, 욕조에 오래 몸을 담그면 피부가 쪼글쪼글해지는 이유 등 찾아보면 삼투의 원리가 나타나는 예는 상당히 많다. 이제 일상에서 농도 차이로 인한 액체의 이동이 생기는 모습을 포착한다면, 삼투현상으로 발생한 것은 아닌지 보다 과학적인 시선으로 바라볼 수 있을 것이다.
[안현정 선생님의 과학은 껌이다] Part 14. 삼투
안녕하세요. 과학 교육 전문가 안현정입니다.
갈증이 날 때 절대로 바닷물을 마시면 안 된다는 이야기, 들어보신 적 있으신가요? TV 예능프로나 영화 등을 보면 이따금 무인도에 조난당한 사람들의 모습이 나오곤 하는데요, 살아남기 위해 고군분투하는 과정에서 식수를 구하는 행동은 가히 필수적인 일입니다. 그러나 TV나 영화 속 주인공들은 절대로 바닷물을 마시지 않습니다. 과연 그 이유는 무엇일까요. 오늘 시간 삼투현상을 통해 조난당했을 때 바닷물을 마시면 안 되는 이유까지 함께 알아보겠습니다.
삼투 현상에 대해 알아보기 위해서는 먼저 반투과성 막이 무엇인지에 대한 이해가 필요합니다. 반투과성 막은 다음과 같습니다.
[반투과성 막]: 미세한 구멍을 가지고 있어 크기가 작은 용매는 투과시키지만 알갱이가 큰 용질은 걸러내는 막. 셀로판지, 세포막, 달걀 속껍데기가 반투과성 막에 해당합니다.
[삼투 현상]삼투현상이란, 서로 다른 농도를 가진 두 액체를 반투과성 막을 경계로 나누어 놓았을 때, 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물(용매)가 이동하는 현상을 말합니다. 용매는 농도의 평형을 이룰 때까지 이동하게 되는데 이때 반투과성 막이 받게되는 압력을 삼투압이라고 부릅니다. 삼투 현상이 일어나는 원인은 액체 간 압력 차이이며 액체들의 농도 차이가 줄어드는 것은 결과입니다.
삼투 실험 : 증류수와 설탕물 / 당근 컵
[증류수와 설탕물의 이동실험]– 준비 : 농도가 0%인 증류수와 높은 농도를 지닌 설탕물을 준비한다.
– 실험 :
(1)설탕물이 들어있는 시험관에 입구를 셀로판지(반투과성막)로 막은 후 뒤집어서
스탠드에 고정시킨다.
(2) 비커에 일정량의 증류수를 넣는다.
(3) 스탠드를 내려서 시험관속 설탕물의 높이와 바깥쪽 증류수의 높이가 같도록 맞춰준다.
(4) 하루 동안 시간을 두고 기다리며 셀로판지를 경계로 물의 이동여부를 관찰한다.
– 관찰 : 비커 속 농도가 낮은 증류수가 반투과성 막인 셀로판지를 통과하여 농도가 높은 설탕물이 든 시험관으로 이동한 모습이 관찰된다. 즉 시험관 속 설탕물의 높이는 아지고 비커 속 물의 높이는 낮아진 결과를 보인다.
[증류수에 담근 당근컵 실험]– 준비 : 농도가 0%인 증류수와 설탕 준비. 당근은 속을 파내어 컵의 형태로 만들어놓는다.
– 실험 : (1) 당근컵 속에 많은 설탕을 넣어 농도를 높인다.
(2) 증류수를 넣은 비커에 설탕을 담은 당근컵을 담근다.
– 관찰 : 당근은 세포로 이루어져 있고 이 세포는 반투과성 막인 세포막을 지니고 있다.
때문에 당근을 경계로 농도가 낮은 증류수가 농도가 높은 당근컵 속의 설탕물 쪽으로
이동하는 결과를 보인다. 결국 당근컵 속의 물의 높이가 높아지고 비커 쏙 물의 높이는 낮아진
모습을 관찰할 수 있다.
[실험 총 정리]삼투는 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 용매가 이동하는 현상이다.
식물의 뿌리에서 물을 흡수하는 원리 또한 이와 같다.
삼투의 예
실험을 통해 알게 된 삼투 현상의 의의를 생각하며 앞서 말했던 바닷물을 마시면 안 되는 이유에 대해 짐작해봅시다. 갈증이 났을 때 염분이 높은 바닷물을 마시면 안 되는 이유는 무엇일까요?
[바닷물을 마시면 안돼요]바닷물은 우리의 몸(염류0.9%)보다 고농도의 염류(3%)를 지니고 있습니다. 때문에 수분 부족으로 바닷물을 섭취하게 될 경우, 바닷물의 염분이 혈액 속으로 흡수되는 현상이 이루어지고 이 과정에서 몸의 세포보다 혈액의 농도가 더 높아지게 됩니다. 결국 삼투 현상에 의하여 세포속의 수분(저농도)이 혈액(고농도)으로 이동하는 상황이 나타나게 됩니다. 우리의 몸은 언제나 평형상태를 유지하고자 하는데, 이 과정에서 염분을 배출하고자 하게 되고 그 결과 많은 양의 수분이 방광으로 모여 배설되게 됩니다. 즉 부족한 수분을 섭취하려다가 도리어 체내 수분을 더 잃게 만드는 상황이 되는 것입니다. 이는 곧 탈수현상으로 이어지고 이 현상이 반복되면 죽음에 이를 수도 있습니다.
이외에도 삼투현상의 예는 일상생활에서도 접할 수 있는데요 다음의 예를 통해 만나봅시다.
[김장 김치]김장 김치를 만들기 위해서 하는 첫 번째 과정은 배추를 깨끗이 잘 손질하여 소금에 절여두는 것입니다. 배추를 소금에 절여놓으면 배추 안(저농도)에 있던 소금이 바깥쪽(고농도)로 빠져나오게 되고 안팎의 농도를 맞추어가며 배추의 숨이 죽게 됩니다.
출처= 이투스me 안현정 강사
동아닷컴 교육섹션 정민아기자 [email protected]
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